樓宇末級(jí)配電設(shè)備群的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

楊 帆 ，鄭心妍 ，幸志偉

（1.武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院，武漢 430073；2.湖北省智能機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430073）

我國(guó)的樓宇建筑普遍缺乏相應(yīng)的基礎(chǔ)測(cè)量設(shè)備，無法實(shí)時(shí)測(cè)量、記錄和統(tǒng)計(jì)相應(yīng)的電能數(shù)據(jù)及運(yùn)行狀態(tài)，建筑能耗節(jié)能系統(tǒng)不能進(jìn)行內(nèi)部實(shí)時(shí)調(diào)控，無法使相關(guān)系統(tǒng)有效協(xié)調(diào)運(yùn)行，實(shí)際的節(jié)能效果達(dá)不到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)[1-3]。無線傳感網(wǎng)絡(luò)WSNs（wireless sensor networks）應(yīng)用于樓宇方面的監(jiān)控系統(tǒng)，可以有效地克服傳統(tǒng)有線樓宇監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布線成本高、組網(wǎng)不靈活、數(shù)據(jù)傳輸可靠性差、樓宇環(huán)境受破壞等缺點(diǎn)，在樓宇智能化方面有著巨大的應(yīng)用前景[4]。針對(duì)樓宇的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于微處理器、無線收發(fā)模塊、傳感器模塊等開發(fā)智能設(shè)備硬件的樓宇末級(jí)配電設(shè)備群的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

1 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)應(yīng)用于樓宇建筑，可實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的電壓、電流、開關(guān)狀況等多種物理信息的采集，并根據(jù)應(yīng)用的需求進(jìn)行相應(yīng)的信息處理，并把處理后的數(shù)據(jù)直接傳送給匯聚節(jié)點(diǎn)，或者傳送給相鄰節(jié)點(diǎn)再由相鄰節(jié)點(diǎn)傳送給匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)將信息處理后，直接將數(shù)據(jù)傳送給控制器[5-8]。設(shè)計(jì)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由電源單元、數(shù)據(jù)處理單元、無線通信單元、傳感器單元組成，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Node system structure

1.1 數(shù)據(jù)處理模塊的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理模塊采用STC90C516RD+單片機(jī)，12時(shí)鐘/機(jī)器周期和6時(shí)鐘/機(jī)器周期可任意選擇，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路。該芯片采用Flash ROM，內(nèi)部有61 KB程序存儲(chǔ)空間，對(duì)于本設(shè)計(jì)而言程序空間完全夠用。單片機(jī)STC90C516RD+的引腳 RST與復(fù)位電路相連，引腳 P2.5、P2.6與E2PROM 電路相連，引腳 P2.2、P2.3、P2.4、GND 與時(shí)鐘電路相連，引腳P0.3與指示燈LED0相連，設(shè)計(jì)的單片機(jī)與外圍電路的接口電路如圖2所示。

圖2 單片機(jī)與外圍電路接口電路Fig.2 Interface circuit between single chip microcomputer and peripheral circuit

1.2 無線通信模塊的設(shè)計(jì)

無線通信模塊使用單片射頻收發(fā)器nRF905，nRF905通過SPI總線與CPU相連，當(dāng)有信號(hào)發(fā)送時(shí)，TRX_CE與TX_EN置1，此時(shí)nRF905工作模式為ShockBurst TX模式（發(fā)送模式），數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，TRX_CE被設(shè)置為低電平，nRF905結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸并自動(dòng)進(jìn)入standby模式（低電流模式）；當(dāng)有信號(hào)接受時(shí)，TRX_CE置1，TX_EN置0，此時(shí)nRF905工作模式為ShockBurst RX模式（接受模式），所有有效數(shù)據(jù)被讀出，AM和DR被設(shè)置為低電平，nRF905將準(zhǔn)備進(jìn)入ShockBurst RX、ShockBurst TX或Powerdown模式（掉電模式）。nRF905的EESCN、SCK、MISO、MOSI、DR、PWR_UP、TRX_CE、TX_EN 引腳分別與單片機(jī)STC90C516RD+的P2.0~P2.7引腳相連，設(shè)計(jì)的單片機(jī)與無線通信模塊的接口電路如圖3所示。

圖3 單片機(jī)與無線通信模塊接口電路Fig.3 Interface circuit of single chip microcomputer and wireless communication module

1.3 傳感器模塊的設(shè)計(jì)

傳感器模塊采用CS5460A測(cè)量芯片，完成對(duì)用電設(shè)備電壓、電流的測(cè)量。CS5460A的引腳VIN+、VIN-與電壓互感器相連；引腳 HN+、HN-與電流互感器相連；引腳XOUT、XINT與晶體振蕩器相連；引腳 RESET、CS、SDI、SDO、SCLK、EDIR分別與單片機(jī)STC90C516RD+的P1.0~P1.5相連，如圖4所示。通過電壓互感器T1、電流互感器T2分別采集電壓、電流信號(hào)，將采集到的信號(hào)輸入CS5460A芯片就可以由內(nèi)部的電能自動(dòng)計(jì)算函數(shù)計(jì)算出該用電設(shè)備的瞬時(shí)電壓、瞬時(shí)電流、電壓有效值、電流有效值等各種參數(shù)，并存入相應(yīng)的寄存器中。STC90C516RD+可直接從CS5460寄存器中讀取數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

單片機(jī)STC90C516RD+的P3.3與CS5460A的INT引腳相連，供電電壓經(jīng)分壓電路接入CS5460A的PFMON引腳，進(jìn)行電源的監(jiān)視。當(dāng)電源斷電或者發(fā)生故障時(shí)，由CS5460A向單片機(jī)發(fā)出中斷申請(qǐng)，STC90C516RD+讀取狀態(tài)字，

判斷后進(jìn)行處理，將運(yùn)行參數(shù)、校準(zhǔn)參數(shù)等數(shù)據(jù)存入E2PROM保存，防止數(shù)據(jù)丟失。

圖4 單片機(jī)與傳感器模塊接口電路Fig.4 Interface circuit of single chip microcomputer and sensor module

1.4 電源模塊的設(shè)計(jì)

電源模塊采用7805穩(wěn)壓電源電路，220 V交流電壓經(jīng)過T3變壓和DR橋式整流，然后經(jīng)過集成穩(wěn)壓器7805，輸出5V直流電壓給單片機(jī)STC90C516RD+供電，再通過D1~D3輸出3 V直流電壓給nRF905供電。設(shè)計(jì)的電源模塊電路如圖5所示。

圖5 電源模塊電路Fig.5 Power module circuit

2 軟件設(shè)計(jì)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由硬件和軟件構(gòu)成，由于篇幅限制，在此只闡述無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程，無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有休眠、喚醒、正常工作模式[10]。系統(tǒng)完成初始化后，節(jié)點(diǎn)將進(jìn)入休眠模式，等待被喚醒。喚醒后將檢測(cè)到的電壓電流值傳送給下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，執(zhí)行完畢后，節(jié)點(diǎn)再次進(jìn)入休眠模式，直到再次被喚醒，節(jié)點(diǎn)的工作流程如圖6所示。

圖6 節(jié)點(diǎn)工作流程Fig.6 Flow chart of node work

3 調(diào)試界面

本設(shè)計(jì)利用組態(tài)王軟件實(shí)時(shí)顯示用戶電壓、電流以及用電設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)[9]。如圖7所示，模擬了一棟樓每層用戶的用電情況，值班人員通過觀察設(shè)備的用電參數(shù)從而監(jiān)測(cè)其開關(guān)狀態(tài)以及運(yùn)行狀態(tài)，能夠快速有效地調(diào)節(jié)用電設(shè)備的開關(guān)，起到節(jié)能作用。

圖7 調(diào)試界面Fig.7 Debug interface

4 結(jié)語

樓宇末級(jí)配電設(shè)備的無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由無線傳感節(jié)點(diǎn)、控制器、上位機(jī)三部分構(gòu)成。本次設(shè)計(jì)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與控制器和上位機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)，完成了對(duì)用電設(shè)備電壓、電流值等參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)及控制用電設(shè)備的開關(guān)狀況，為降低建筑用電設(shè)備的能耗提供了一種有效方法。

[1]彭偉.建筑用電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中智能終端研究[D].山東：山東建筑大學(xué)，2013.

[2]馬月坤，于樹利.智能樓宇監(jiān)控系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2014（9）：81.

[3]馬海.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2010.

[4]錢志鴻，王義君.面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2013，35（1）：215-227.

[5]王忻.智能建筑中設(shè)備節(jié)能控制分析[J].機(jī)電信息，2014（36）：70-71.

[6]Y.Juan，P.Gao，J.Wang.A hybrid decision support system for sustainable office building renovation and energy performance improvement[J].Energy and Buildings，2010（42）：290-297.

[7]黃畢堯，白曉民，Stephen T.Lee，等.美國(guó)智能配用電技術(shù)綜述[J].供用電，2014（11）：16-21.

[8]Hao Qi，Hu Fei，Lu Jiang.Distributed multiple human tracking with wireless binary pyroelectric infrared （PIR）sensor networks[C]//2010 IEEE Sensors，2010：946-950.

[9]楊帆，陳向詩瑤，李國(guó)平.樓宇單元配電箱遙控開關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，37（3）：58-61.

[10]Hande Alemdar，Cem Ersoy.Wireless sensor networks for healthcare：A survey[J].Computer Networks，2010，54（15）：2688-2710.